曹麗瓊, 程芳琴, 武海波, 楊鳳玲

(1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

以廢可樂(lè)瓶為原料提取乙二醇制備煤塵抑制劑

曹麗瓊1,2, 程芳琴1, 武海波2, 楊鳳玲1,2

(1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

以廢可樂(lè)瓶為原料,通過(guò)乙二醇脆化、破碎、NaOH水解等步驟提取乙二醇溶液,并對(duì)其作為抑塵劑的性能進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、固液質(zhì)量比為1∶8～1∶14、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí),聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的降解率達(dá)到了90%以上。乙二醇溶液具有良好的潤(rùn)濕性和抗凍性,抑塵性能測(cè)試證明,其可作為煤塵抑制劑的原料。

廢可樂(lè)瓶;聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯;水解;乙二醇;對(duì)苯二甲酸;煤塵抑制劑

引 言

隨著人們生活水平的提高,可樂(lè)成為人們生活中消費(fèi)量較高的飲品。據(jù)統(tǒng)計(jì),可口可樂(lè)在中國(guó)的銷(xiāo)售量為1 700多億瓶/a,凈利潤(rùn)估計(jì)120億元/a。由此可見(jiàn),每年有幾億個(gè)廢舊可樂(lè)瓶產(chǎn)生。這些廢舊可樂(lè)瓶因其極強(qiáng)的化學(xué)惰性,很難被空氣或者微生物所降解,且會(huì)占據(jù)很大的空間,而成為一種新的環(huán)境危害。目前,廢舊塑料的再利用途徑主要有再生造粒、熱解燃燒和氣化油化[1-4]等。但是,廢舊塑料回收利用的比例很小,美國(guó)回收利用所占的最大比例也僅為13%。訖今,專(zhuān)門(mén)針對(duì)廢舊可樂(lè)瓶的再利用研究未見(jiàn)報(bào)道。

廢舊可樂(lè)瓶的主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET),其分解產(chǎn)物是對(duì)苯二甲酸和乙二醇。其中,對(duì)苯二甲酸是一種有機(jī)原料,用途十分廣泛,主要用于聚酯的再生產(chǎn)。乙二醇是羥基有機(jī)物,具有吸濕性,極易溶于水;具有抗凍性,經(jīng)常作為防凍劑的原料;作為碳?xì)浠衔?燃燒產(chǎn)物無(wú)毒。乙二醇的諸多優(yōu)點(diǎn)表明,將其作為制備煤塵抑制劑的原料,既可增強(qiáng)煤塵抑制劑的保水性,又可增強(qiáng)其抗凍性能。因此,以廢舊可樂(lè)瓶為原料提取乙二醇制備煤塵抑制劑,不僅可實(shí)現(xiàn)廢舊物品的資源化利用,而且可減少?gòu)U舊可樂(lè)瓶及煤塵污染帶來(lái)的危害。

本文主要研究了廢舊可樂(lè)瓶的分解及乙二醇的提取工藝,對(duì)提取出的乙二醇溶液作為抑塵劑的性能進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

可口可樂(lè)瓶;乙二醇,化學(xué)純;氫氧化鈉,分析純;

帶回流的磨口燒瓶;加熱裝置;型煤制作機(jī);熱值測(cè)定儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 脆化原理

將聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)高聚物在乙二醇蒸汽中熏蒸1 h,高聚物斷裂為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的低聚物或單體對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(BHET)。反應(yīng)方程式如第2頁(yè)式(1)。

1.2.2 堿性水解原理[5-7]

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)在常壓堿性加熱煮沸條件下發(fā)生水解,生成對(duì)苯二甲酸鈉和乙二醇(EG)。對(duì)苯二甲酸鈉是強(qiáng)堿弱酸鹽,在酸性條件下轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)苯二甲酸。反應(yīng)方程式如式(2)和式(3)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將收集的廢可樂(lè)瓶洗凈,剪成條狀,在190℃下用乙二醇溶液熏蒸1 h進(jìn)行脆化。將脆化后的塑料瓶片用研缽磨碎,篩分,待用。

2)按照反應(yīng)所需NaOH溶液量的1.0、1.2、1.4、1.5、1.7、2.0、4.0、8.0倍進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn),確定最適宜的氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3)在步驟2)確定的最佳堿性條件下,以固液質(zhì)量比為1∶4、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16進(jìn)行實(shí)驗(yàn),確定最佳固液質(zhì)量比。

4)在步驟3)確定最佳固液質(zhì)量比下,加熱水解30、45、60、75、120 min,過(guò)濾,濾渣即為未降解的塑料。計(jì)算降解率,確定最佳水解時(shí)間。

5)制備煤塵抑制劑:用HCl調(diào)節(jié)濾液的pH= 1,析出對(duì)苯二甲酸;再次進(jìn)行抽濾,得到的濾渣即為純凈的對(duì)苯二甲酸固體,液體為乙二醇溶液(含有少量NaCl)。將得到的乙二醇溶液稀釋,得到不同濃度的煤塵抑制劑。

1.4 煤塵抑制劑的性能測(cè)試

1.4.1 保水性能測(cè)試

取20 g粒徑≤0.9 mm的混合粒徑煤粒,在105℃下烘干至恒重,將溶液與煤粒按質(zhì)量比為1∶10混勻,放在40℃恒溫箱中,每隔1 h稱(chēng)重1次。

1.4.2 熱值測(cè)定

稱(chēng)取70 g粒徑≤3 mm的電廠煤,將蒸餾水與煤按質(zhì)量比為1∶10混勻。稱(chēng)取32 g調(diào)好的煤,在2.5MPa下壓成煤塊,烘干,研磨至粒徑≤0.2 mm。稱(chēng)取0.700 0 g,進(jìn)行熱值實(shí)驗(yàn)。

1.4.3 抑塵性能測(cè)試

取4份20 g粒徑≤0.9 mm的混合粒徑煤粒,在105℃烘干至恒重,放入表面皿中,分別記為1#、2#、3#和4#。將3#和4#噴灑一定量的0.022 mol/L煤塵抑制劑,待其晾干后用鼓風(fēng)機(jī)吹1 min,風(fēng)速保持在3.37 m/s。稱(chēng)量煤塵損失量,計(jì)算損失率。

2 結(jié)果與討論

2.1 脆化條件的確定

實(shí)驗(yàn)步驟1)得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。100倍顯微鏡下觀察脆化前、后廢可樂(lè)瓶的結(jié)構(gòu)性狀,如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2中觀察到,乙二醇蒸汽熏蒸后的塑料片,整體結(jié)構(gòu)由完整變?yōu)辇斄褷睢D3為可樂(lè)瓶塑料脆化后的粉碎樣品。而由表1可以看出,脆化后的塑料降解所需的NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低,反應(yīng)時(shí)間更短,且降解率較高。這是因?yàn)?塑料經(jīng)過(guò)脆化后,內(nèi)部部分鏈發(fā)生斷裂,降低了韌性,更容易破碎。塑料破碎后,增大了反應(yīng)面積,縮短了反應(yīng)時(shí)間,降低了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù),提高了降解率。因此,PET的脆化對(duì)于PET的分解非常必要。

表1 塑料脆化與分解率的關(guān)系

圖1 可樂(lè)瓶塑料脆化前的結(jié)構(gòu)

圖2 可樂(lè)瓶塑料脆化后的結(jié)構(gòu)

圖3 可樂(lè)瓶塑料脆化后粉碎樣品

2.2 NaOH最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

確定PET為2.000 0 g,固液質(zhì)量比1∶14,反應(yīng)時(shí)間60 min,依據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟2)改變NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 分解率與NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

由圖4可看出,當(dāng)固液質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間一定時(shí),隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,降解率逐漸提高。當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí),降解率趨于穩(wěn)定。因此,從節(jié)省原料的角度考慮,NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)降解效果最佳。

2.3 最佳固液比的確定

確定PET為2.000 0 g,NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,反應(yīng)時(shí)間60 min,依據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟3)改變固液質(zhì)量比,得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

由圖5可看出,當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí),隨著固液質(zhì)量比的降低,降解率逐漸升高。當(dāng)固液質(zhì)量比為1∶8時(shí),降解率達(dá)到95%以上;當(dāng)固液質(zhì)量比為1∶14時(shí),降解完全,降解率高達(dá)99%以上。因此,在實(shí)際降解過(guò)程中可根據(jù)要求選擇固液比在1∶8～1∶14,此間固液比可使塑料基本降解。

2.4 最佳分解時(shí)間的確定

確定PET為2.000 0 g,NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,固液質(zhì)量比1∶14,依據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟4)改變反應(yīng)時(shí)間,得到表2數(shù)據(jù)。

表2 分解率與分解時(shí)間的關(guān)系表

由表2可看出,在固液比為1∶14、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,廢舊可樂(lè)瓶的分解率提高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí),分解率已經(jīng)達(dá)到90%以上;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于60 min時(shí),其分解率變化不大。因此,從工業(yè)化生產(chǎn)和能源消耗的角度考慮,反應(yīng)時(shí)間選擇60 min較為科學(xué)。

2.5 乙二醇溶液性能測(cè)試

2.5.1 保水性測(cè)試

按照1.4.1進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到的數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 煤塵抑制劑保濕性與其濃度之間的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)分別研究了濃度為0.220、0.044和0.022 mol/L抑塵劑的保水性,并與純水作抑制劑的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。由圖6可知,在1 h內(nèi),4組實(shí)驗(yàn)的失水率相當(dāng);1 h后開(kāi)始有明顯的區(qū)別,噴灑抑塵劑的煤樣較噴灑水溶液的煤樣變化較慢,保水性比較明顯;抑塵劑濃度越大,保水性越強(qiáng)。在實(shí)際使用過(guò)程中可據(jù)具體情況稀釋相應(yīng)倍數(shù),得到最終產(chǎn)品。

2.5.2 熱值測(cè)定

表3 熱值測(cè)定數(shù)據(jù)

表3為熱值測(cè)定數(shù)據(jù)。由表3可看出,煤塵抑制劑處理的煤樣熱值大于蒸餾水處理的煤樣熱值。這是因?yàn)?煤塵抑制劑的化學(xué)成分是乙二醇,乙二醇只由C、H兩種元素組成,這兩種元素都可以與氧氣反應(yīng)。因此,此產(chǎn)品對(duì)煤的熱值沒(méi)有負(fù)影響。

2.5.3 抑塵性能測(cè)試

按照1.4.3進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到的數(shù)據(jù)如表4。

表4 煤塵抑制劑噴灑前后損失表

由表4可看出,抑塵劑噴灑前和噴灑后,煤塵損失有很大的變化,說(shuō)明該煤塵抑制劑的性能良好。

3 結(jié)論

1)用乙二醇熏蒸脆化后,廢舊可樂(lè)瓶的分解率大大提高,脆化后比未脆化的樣品堿性水解所需堿的用量大大降低。

2)脆化后的廢可樂(lè)瓶在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、固液質(zhì)量比為1∶8～1∶14、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí),分解率達(dá)到了最佳。此時(shí),PET的降解率可達(dá)到90%,實(shí)現(xiàn)了常壓水解廢舊可樂(lè)瓶。

3)對(duì)可樂(lè)瓶進(jìn)行脆化、堿性水解、加酸過(guò)濾,可得到比較純的對(duì)苯二甲酸固體和乙二醇溶液。乙二醇溶液作為煤塵抑制劑具有較好的保水性、抗凍性,且不影響煤燃燒的熱值。

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Abstract:Coke bottles have become an environmental hazard for being difficult to degrade and becomingmore andmore.Itsmain component is polyethylene terephthalate(abbreviated PET).Terephthalic acid and glycol are the decomposition products of PET.Terephthalic acid is one kind of organic materials and used in many areas.Glycol is hydrophilic,easy to burn,frost resistant and so on.In this study,coke bottles as raw materialwere crisped using glycol steam,broken,hydrolysised with NaOH to extract glycol.Also,the perfor mance of glycol as dust inhibitor was tested.The results showed that:NaOH concentration,solid liquid ratio and the reaction time were 1∶8～1∶14,5%and 60 minutes respectively;the degradation capacity of PETwas 90%.Terephthalic acid could be recycled.Through to the test,the performance of glycol solutionwith goodwetting and frost resistance proved it can be used as raw material of dust inhibitor.It can be obtained solid terephthalic acid and glycol solution by filtering decomposition of liquid with hydrochloric acid.

Key words:coke bottle;polyethylene terephthalate;hydrolysis;glycol;terephthalic acid;dust inhibitor

Recycling of coke bottle waste into glycol for coal dust inhibitor

CAO L i-qiong1,2,CHENG Fang-qin1,W U Ha i-bo2,YANG Feng-li ng1,2
(1.Institute of Environmental Technology,Shanxi Un iversity,Ta iyuan Shanxi030006,China; 2.College of Environmental Science and Resources,Shanxi Un iversity,Ta iyuan Shanxi030006,China)

X705

A

1004-7050(2010)06-0001-04

2010-09-26

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAB24B01)

曹麗瓊,女,1983年出生,山西大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向:煤系固廢的資源化利用。